Научници су открили прву органелу која фиксира азот

Савремени уџбеници биологије тврде да су само бактерије способне да узму азот из атмосфере и претворе га у облик погодан за живот. Биљке које фиксирају азот, као што су махунарке, то чине тако што садрже симбиотске бактерије у својим кореновим чворићима. Али најновије откриће окреће ово правило наглавачке.

У два недавна рада, међународни тим научника описује прву познату органелу која фиксира азот унутар еукариотске ћелије. Органела је четврти пример у историји примарне ендосимбиозе — процеса којим прокариотска ћелија бива захваћена еукариотском ћелијом и еволуира изван симбиозе у органелу.

„Веома је ретко да органеле настају из ове врсте ствари“, рекао је Тајлер Кол, постдокторски истраживач на УЦ Санта Цруз и први аутор једног од два недавна рада. „Први пут када смо помислили да се ово догодило, из њега су настали сви сложени облици живота. Све што је сложеније од бактеријске ћелије дугује своје постојање овом догађају“, рекао је он, мислећи на порекло митохондрија. „Прије милијарду година то се поновило са хлоропластима и то нам је дало биљке“, рекао је Кол.

Трећи добро познати пример укључује микроб сличан хлоропласту. Најновије откриће је први пример органеле која фиксира азот, коју истраживачи називају нитропластом.

Вишедеценијска мистерија

Откривање органеле захтевало је мало среће и деценије рада. Године 1998, Џонатан Зехр, угледни професор науке о мору на Универзитету Калифорније, Санта Круз, пронашао је кратку секвенцу ДНК из онога што се чинило да потиче од непознате цијанобактерије које фиксирају азот у морској води Пацифика. Захр и његове колеге провели су године проучавајући мистериозни објекат, који су назвали УЦИН-А.

У међувремену, Кјоко Хагино, палеонтолог са Универзитета Кочи у Јапану, активно је покушавао да узгаја морске алге. Испоставило се да је то организам домаћин УЦИН-А. Било је потребно више од 300 експедиција узорковања и више од једне деценије, али Хагино је на крају успео да узгаја алге у култури, омогућавајући другим истраживачима да почну да проучавају УЦИН-А и његове морске алге домаћине заједно у лабораторији.

Дуги низ година научници су сматрали да је УЦИН-А ендосимбионт који је блиско повезан са алгама. Али два недавна рада сугеришу да је УЦИН-А коеволуирао са својим бившим симбиотичким домаћином, и да сада одговара критеријумима за органелу.

Органско порекло

У раду објављеном у мобилни У марту 2024, Захр и колеге са МИТ-а, Институто де Циенциа Барцелона и Универзитета Рходе Исланд показали су да је однос запремине између УЦИН-А и њихових домаћина алги сличан код различитих врста морских еуфитних алги. Прародоспхаера бигелои.

Истраживачи користе модел да покажу да се раст ћелија домаћина и УЦИН-А контролишу разменом хранљивих материја. Њихови метаболички процеси су повезани. Ова синхронизација у стопама раста навела је истраживаче да УЦИН-А назову „сличним органелу“.

„То је управо оно што се дешава са органелама“, рекао је Захр. „Ако погледате митохондрије и хлоропласте, они су иста ствар: они се шире са ћелијом.“

Али научници нису самоуверено назвали УЦИН-А органелом све док нису потврдили друге доказе. У Насловни чланак Из часописа науке, објављен данас, укључује Захр, Куаллеи, Кендра Турк Кубо, Винг-Кван Естхер Мак са Универзитета Калифорније, Санта Круз, и сараднике са Универзитета Калифорније, Сан Франциско, Националну лабораторију Лавренце Беркелеи, Национални универзитет океана Тајвана и Коцхи Универзитет у Јапану. УЦИН-А увози протеине из ћелија домаћина.

„Ово је једно од обележја нечега што иде од ендосимбионта до органеле“, рекао је Захр. „Они почињу да се ослобађају делова ДНК, њихов геном постаје све мањи и мањи и почињу да се ослањају на мајчину ћелију да пренесу те генске производе – или сам протеин – у ћелију.“

Кол је радио на протеинима за проучавање. Он је упоредио протеине пронађене у изолованом УЦИН-А са онима који се налазе у целој ћелији домаћина алги. Открио је да ћелија домаћин прави протеине и обележава их специфичном секвенцом аминокиселина, која говори ћелији да их пошаље у нитропласт. Нитробласт затим увози и користи протеине. Кол је идентификовао функцију неких протеина, који попуњавају празнине у специфичним путевима унутар УЦИН-А.

„То је као магична слагалица која се уклапа и функционише заједно“, рекао је Захр.

У истом раду, истраживачи са Калифорнијског универзитета у Сан Франциску показали су да се УЦИН-А реплицира у спрези са ћелијом алги и да се наслеђује као и друге органеле.

Промените перспективе

Ови независни докази не остављају сумњу да је УЦИН-А превазишао улогу симбионта. Док су митохондрије и хлоропласти еволуирали пре више милијарди година, чини се да су азоти еволуирали пре око 100 милиона година, пружајући научницима нову, модернију перспективу о формирању органела.

Органела такође пружа увид у екосистеме океана. Свим живим организмима је потребан азот у биолошки употребљивом облику, а УЦИН-А је глобално важан због своје способности да фиксира азот из атмосфере. Истраживачи су га пронашли свуда од тропских крајева до Арктичког океана и фиксира велику количину азота.

„Он није само још један играч,“ рекао је Зехр.

Ово откриће такође има потенцијал да промени пољопривреду. Способност прављења амонијачних ђубрива од атмосферског азота омогућила је пољопривреди – и светској популацији – да се уздигне почетком двадесетог века. Овај процес је познат као Хабер-Бош процес и омогућава производњу око 50% светске хране. Они такође производе огромне количине угљен-диоксида: око 1,4% глобалних емисија долази из овог процеса. Деценијама, истраживачи су покушавали да открију начин да се природна фиксација азота укључи у пољопривреду.

„Овај систем је нова перспектива фиксације азота и може дати назнаке о томе како да се такве органеле унесу у усеве“, рекао је Кол.

Али многа питања о УЦИН-А и његовом домаћину алги остају без одговора. Истраживачи планирају да дубље проуче како УЦИН-А и алге функционишу и проучавају различите сојеве.

Кендра Турк-Цобо, доцент на УЦ Санта Цруз, наставиће истраживање у својој новој лабораторији. Захр очекује да ће научници пронаћи друге организме са сличним еволуционим причама као УЦИН-А, али као прво те врсте, ово откриће је једно за уџбенике.